オリフィス下流高速気液二相流および液膜からの液滴発生の可視化計測
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カテゴリ: 第9回
1. 諸言
液滴衝撃エロージョン(LDI エロージョン: Liquid Droplet Impingement Erosion)はしばしば管オリフィス下 流側第一エルボ背面で発生し、ドレインなどの蒸気系配 管で問題となる。LDI エロージョンが発生する際の流動 条件については、これまでに流速、液滴径、蒸気の湿り 度などに関する検討がなされてきているが、これまでの 研究は液滴と材料との相互作用を論ずるものがほとんど で、エロージョンを起こす液滴がどのように発生するか に関してはあまり言及されていない。オリフィスを含む配管内での液滴の発生は大きく分け て以下の3つのケースが考えられる。1) 過熱蒸気がオリ フィス下流低圧部で凝縮核を生成し流れの中で液滴へと 成長する。2) 配管壁上で凝縮した液膜の気液界面からか ら液滴が気流中へ混入する。3) オリフィス上流の液膜が オリフィス開口部まで気流に流され浸入し、オリフィス 部の高速流により持ち去られる。上記 1) の蒸気流の凝縮 による液滴生成については、実験的、数値的に解析され ており実現象とよく合うことが報告されている[1, 2]。し かしストレート流路における液膜からの液滴生成は良く 研究されているが[3, 4]、オリフィス近傍における液膜か らの液滴生成のメカニズムおよび生成液滴径については 全く行われていない。 そこで本研究では、オリフィス下流の液膜からの液滴発生について高速度カメラを用いた可視化実験を行い、 液滴発生について観察を行う。主流流速、液体供給量、 液膜の表面張力をパラメータとして変化させ、発生液滴 サイズと数密度について定量的に測定を行う。
2. 実験装置および手法
Fig. 1 に実験装置を示す。装置は主流供給部、液体供給 一部、試験部から構成され、主流供給部は主流である空気 を圧縮空気ボンベにより供給し、液体供給部は定流量ポ ンプを用いてオリフィス下流部の下面に水を供給する。 試験部はオリフィス、内寸 56mm 角のアクリル製矩形管 からなるオリフィス下流部で構成される。オリフィスは 下流部の流れを二次元化して可視化し易くするために開 口高さ4mm のスリット状のものを用いている。高速度 カメラには KEYENCE の VW-9000 を用い、Fig.2 の位置 で2000 fps にて撮影を行った。パラメータとしてオリフ イス下流部平均気流流速、平均液膜厚さを取り、それぞ れ50、106、163 m/s、および 0.36-1.09 mm で変化させた。Test sectionOrifice53mMainstream supplying partAir flowv 200854.91IM....Orifice flow meterRegulator Air CylinderLiquid film supplying portConstant flow pumpFig. 1 Schematic view of experimental setup309orifice12056Fig. 2 Shooting locations of the high-speed video camera3. 結果および考察- Fig.3 に撮影位置2での流況を示す。液膜が気流中 に巻き上げられ、しかも瞬間的ではなく激しく変形し ながら「定在」している様子が分かる。Fig.4、に撮影 位置2における発生液滴径を示す。液膜厚さはほとん ど影響せず、気流速度が速くなるほど小さい液滴が発 生していることが分かる。0.0 ms1.5msentrainment of liquid film0.5ms2.0msliquid droplets1.0ms2.5 msFig. 3 Instantaneous visualization images where the liquid film is entrained into air flowliquid droplet diameter (mm)liquid film thickness: 0.36 mm0.52mm 1.09mm4018060 80 100 120 140 100 time-averaged air flow velocity (m/s)Fig.4 Relation between liquid droplet diameter andtime-averaged air flow velocitykness:0.36mm0.52mm1.09mm120140160180air flow velocitu m/s) - 平均気流流速 50 m/s、液膜厚さ 1.09 mm の場合の撮 影位置2および3における液滴径、液滴速度をそれぞ れ Fig.5、6に示す。2で発生した液滴は気流中を流れ るに従い分裂して小さくなり、かつ加速していること が分かる。liquid droplet diameter (mm)measurement location2measurement location RFig.5 Liquid droplet diameter observed at the shootinglocation of and 3measurement location2measurement location Rliquid dropletvelocity (m/s)measure location**measurementlocation measurement locationnhuimeasurement location3Fig.6 Liquid droplet velocity observed at the shootinglocation of and 34. 結言1. 本研究ではオリフィス下流に生じる液膜からの発 生液滴特性を、水-空気二相流を用いた可視化実験によ り明らかにした。オリフィス下流再循環領域において 液膜は気流中に巻き上げられ液滴に分裂し、気流中で 分裂、加速し流れていくことが分かった。参考文献 [1] 森田ら, 電力中央研究所報告, L06008, 2007. [2] NUCIA, 2004-東北-M007. [3] I. Kataoka, et al., Traus. ASME, J. Fluid Engng., 105, 1983,pp230-238. [4] D.F. Tatterson, et al., AICHE J., 23, 1977, pp. 68-76.1310“ “オリフィス下流高速気液二相流および液膜からの液滴発生の可視化計測“ “江原 真司,Shinji EBARA,梅原 真弘,Masahiro UMEHARA,橋爪 秀利,Hidetoshi HASHIZUME
液滴衝撃エロージョン(LDI エロージョン: Liquid Droplet Impingement Erosion)はしばしば管オリフィス下 流側第一エルボ背面で発生し、ドレインなどの蒸気系配 管で問題となる。LDI エロージョンが発生する際の流動 条件については、これまでに流速、液滴径、蒸気の湿り 度などに関する検討がなされてきているが、これまでの 研究は液滴と材料との相互作用を論ずるものがほとんど で、エロージョンを起こす液滴がどのように発生するか に関してはあまり言及されていない。オリフィスを含む配管内での液滴の発生は大きく分け て以下の3つのケースが考えられる。1) 過熱蒸気がオリ フィス下流低圧部で凝縮核を生成し流れの中で液滴へと 成長する。2) 配管壁上で凝縮した液膜の気液界面からか ら液滴が気流中へ混入する。3) オリフィス上流の液膜が オリフィス開口部まで気流に流され浸入し、オリフィス 部の高速流により持ち去られる。上記 1) の蒸気流の凝縮 による液滴生成については、実験的、数値的に解析され ており実現象とよく合うことが報告されている[1, 2]。し かしストレート流路における液膜からの液滴生成は良く 研究されているが[3, 4]、オリフィス近傍における液膜か らの液滴生成のメカニズムおよび生成液滴径については 全く行われていない。 そこで本研究では、オリフィス下流の液膜からの液滴発生について高速度カメラを用いた可視化実験を行い、 液滴発生について観察を行う。主流流速、液体供給量、 液膜の表面張力をパラメータとして変化させ、発生液滴 サイズと数密度について定量的に測定を行う。
2. 実験装置および手法
Fig. 1 に実験装置を示す。装置は主流供給部、液体供給 一部、試験部から構成され、主流供給部は主流である空気 を圧縮空気ボンベにより供給し、液体供給部は定流量ポ ンプを用いてオリフィス下流部の下面に水を供給する。 試験部はオリフィス、内寸 56mm 角のアクリル製矩形管 からなるオリフィス下流部で構成される。オリフィスは 下流部の流れを二次元化して可視化し易くするために開 口高さ4mm のスリット状のものを用いている。高速度 カメラには KEYENCE の VW-9000 を用い、Fig.2 の位置 で2000 fps にて撮影を行った。パラメータとしてオリフ イス下流部平均気流流速、平均液膜厚さを取り、それぞ れ50、106、163 m/s、および 0.36-1.09 mm で変化させた。Test sectionOrifice53mMainstream supplying partAir flowv 200854.91IM....Orifice flow meterRegulator Air CylinderLiquid film supplying portConstant flow pumpFig. 1 Schematic view of experimental setup309orifice12056Fig. 2 Shooting locations of the high-speed video camera3. 結果および考察- Fig.3 に撮影位置2での流況を示す。液膜が気流中 に巻き上げられ、しかも瞬間的ではなく激しく変形し ながら「定在」している様子が分かる。Fig.4、に撮影 位置2における発生液滴径を示す。液膜厚さはほとん ど影響せず、気流速度が速くなるほど小さい液滴が発 生していることが分かる。0.0 ms1.5msentrainment of liquid film0.5ms2.0msliquid droplets1.0ms2.5 msFig. 3 Instantaneous visualization images where the liquid film is entrained into air flowliquid droplet diameter (mm)liquid film thickness: 0.36 mm0.52mm 1.09mm4018060 80 100 120 140 100 time-averaged air flow velocity (m/s)Fig.4 Relation between liquid droplet diameter andtime-averaged air flow velocitykness:0.36mm0.52mm1.09mm120140160180air flow velocitu m/s) - 平均気流流速 50 m/s、液膜厚さ 1.09 mm の場合の撮 影位置2および3における液滴径、液滴速度をそれぞ れ Fig.5、6に示す。2で発生した液滴は気流中を流れ るに従い分裂して小さくなり、かつ加速していること が分かる。liquid droplet diameter (mm)measurement location2measurement location RFig.5 Liquid droplet diameter observed at the shootinglocation of and 3measurement location2measurement location Rliquid dropletvelocity (m/s)measure location**measurementlocation measurement locationnhuimeasurement location3Fig.6 Liquid droplet velocity observed at the shootinglocation of and 34. 結言1. 本研究ではオリフィス下流に生じる液膜からの発 生液滴特性を、水-空気二相流を用いた可視化実験によ り明らかにした。オリフィス下流再循環領域において 液膜は気流中に巻き上げられ液滴に分裂し、気流中で 分裂、加速し流れていくことが分かった。参考文献 [1] 森田ら, 電力中央研究所報告, L06008, 2007. [2] NUCIA, 2004-東北-M007. [3] I. Kataoka, et al., Traus. ASME, J. Fluid Engng., 105, 1983,pp230-238. [4] D.F. Tatterson, et al., AICHE J., 23, 1977, pp. 68-76.1310“ “オリフィス下流高速気液二相流および液膜からの液滴発生の可視化計測“ “江原 真司,Shinji EBARA,梅原 真弘,Masahiro UMEHARA,橋爪 秀利,Hidetoshi HASHIZUME